(57)【要約】【課題】  平面形燃料電池上の各セルを簡易な構造で接続することができる複合膜、並びに、この複合膜を用いて任意の電流値および電圧値を出力することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  性質の異なる複数の領域を有する複合膜１０であって、複合膜１０の第１の主面と第２の主面との間においてプロトン伝導性を有する複数の第１の領域１４と、複合膜１０の第１の主面と第２の主面との間において電子伝導性を有する第２の領域１６と、を有することを特徴とする。また、この複合膜１０を用いた燃料電池３０であって、複数の第１の電極３２と、複数の第２の電極３４と、一方の第１の電極３２ｂと第２の領域１６αとを接続する第１の電子伝導部材３８ｂと、他方の第２の電極３４ａと第２の領域１６αとを接続する第２の電子伝導部材４０ａと、と備えることを特徴とする。【選択図】          図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
性質の異なる複数の領域を有する複合膜であって、
前記複合膜の第１の主面と第２の主面との間においてプロトン伝導性を有する複数の第１の領域と、
前記複合膜の第１の主面と第２の主面との間において電子伝導性を有する第２の領域と、
を有することを特徴とする複合膜。
【請求項２】
請求項１記載の複合膜において、
前記各第１の領域を分離すると共に絶縁性を有する第３の領域を有することを特徴とする請求項１記載の複合膜。
【請求項３】
前記複合膜は、絶縁性を有すると共に多孔質な基材を備え、
前記第１の領域は前記基材にプロトン伝導物質が充填されると共に、前記第２の領域は前記基材に電子伝導物質が充填されることを特徴とする請求項１または２記載の複合膜。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の複合膜と、
前記第１の主面に設けられ、前記第１の領域に対向するように配置された複数の第１の電極と、
前記第２の主面に設けられ、前記第１の領域に対向するように配置された複数の第２の電極と、
一方の前記第１の電極と前記第１の主面の前記第２の領域とを接続する第１の電子伝導部材と、
前記一方の第１の電極と対向しない他方の前記第２の電極と前記第２の主面の前記第２の領域とを接続する第２の電子伝導部材と、
と備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記複合膜の、前記第１の領域および前記第２の領域以外の領域は、水以外の流体を透過しない性質を有することを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合膜およびその複合膜を用いた燃料電池に関し、具体的には、平面形燃料電池上の各セルを簡易な構造で接続することができる複合膜およびその複合膜を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。
【０００４】
燃料電池はその起電力を目的に合わせて大きくしたスタック構造のものが一般的であるが、起電力をそれほど必要とせず、できるだけ薄いことが要求される携帯機器用のＤＭＦＣでは平面形の構成が採られる。
【特許文献１】特開２００３−１９７２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、平面形の燃料電池は、スタッグ構造と比べて直列に接続することが困難であった。これに対し、特許文献１では固体高分子膜に接続配線を貫通させる手法が採られているが、この場合、固体高分子膜の接続配線を貫通させた部分に集中応力がかかってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、平面形燃料電池上の各セルを簡易な構造で接続することができる複合膜、並びに、この複合膜を用いて任意の電流値および電圧値を出力することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、性質の異なる複数の領域を有する複合膜であって、複合膜の第１の主面と第２の主面との間においてプロトン伝導性を有する複数の第１の領域と、複合膜の第１の主面と第２の主面との間において電子伝導性を有する第２の領域と、を有することを特徴とする。これにより、この複合膜を用いて平面形燃料電池を作製するときに、平面形燃料電池上の各セルを簡易な構造で接続することができる。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の複合膜において、各第１の領域を分離すると共に絶縁性を有する第３の領域を有することを特徴とし、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の複合膜において、絶縁性を有すると共に多孔質な基材を備え、第１の領域は基材にプロトン伝導物質が充填されると共に、第２の領域は基材に電子伝導物質が充填されることを特徴とする。これにより、複合膜を容易に作製することができる。
【０００９】
そして、請求項４記載の発明は、燃料電池であって、請求項１〜３のいずれかに記載の複合膜と、第１の主面に設けられ、第１の領域に対向するように配置された複数の第１の電極と、第２の主面に設けられ、第１の領域に対向するように配置された複数の第２の電極と、一方の第１の電極と第１の主面の第２の領域とを接続する第１の電子伝導部材と、一方の第１の電極と対向しない他方の第２の電極と第２の主面の第２の領域とを接続する第２の電子伝導部材と、と備えることを特徴とする。これにより、平面形燃料電池上の各セルを簡易な構造で接続することができ、各セルの並べ方あるいは接続の仕方によって、任意の電流値および電圧値を出力することができる。
【００１０】
最後に、請求項５記載の発明は、請求項４記載の燃料電池において、複合膜の、第１の領域および第２の領域以外の領域は、水以外の流体を透過しない性質を有することを特徴とする。これにより、クロスリークを低減し、燃料電池の電池効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、平面形燃料電池上の各セルを簡易な構造で接続することができ、これにより、任意の電流値および電圧値を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の複合膜１０の作製方法ついて、図を用いて詳細に説明する。
【００１３】
複合膜１０の基材１２は繊維状のフッ素系樹脂を厚さ５０μｍ程度の不織布に加工したもの（以下、「多孔質フッ素フィルム」と称する）を用い、この基材１２の、発電部１４および接続部１６となる部分以外の絶縁部１８には、図１に示すように、絶縁物質２０、本実施の形態では、フッ素樹脂２０を多孔質フッ素フィルム１２の孔を埋めるように充填する。基材１２に絶縁物質２０を、発電部１４と接続部１６とを分離するように、はじめに充填することにより、後に発電部１４および接続部１６に充填されるプロトン伝導物質２２と電子伝導物質２４とが混ざり合い、特に発電部１４において、短絡してしまうことを防止することができる。
【００１４】
次に、図２に示すように、接続部１６に電子導電物質２４、本実施の形態では、粉末状のカーボンブラック（Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２：ＣＡＢＯＴ社製）２４を多孔質フッ素フィルム１２の孔を埋めるように充填する。従来のように接続配線を用いるのではなく、基材１２上において長方形となる接続部１６を配置することにより、接続面積（電子流通経路の断面積）を大きくすることができ、各発電部１４間の電気抵抗を小さくし、発電効率を向上させることができる。また、膜の接続配線を通した部分から、燃料あるいは酸化剤がリークしたり、膜に亀裂が入り、燃料電池が破損したりすることを防止できる。最後に、発電部１４にプロトン伝導物質２２、本実施の形態では、５ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）２２を多孔質フッ素フィルム１２の孔に充填し、溶媒成分を蒸発させる。
【００１５】
以上のような方法により作製された複合膜１０を用いた平面形燃料電池３０の構成について、図３および４を用いて詳細に説明する。図３は平面形燃料電池３０の構成を示す模式斜視図であり、図４は図３のＡ−Ａ’断面における断面図である。
【００１６】
図４の３２はアノード側電極であり、アノード側電極３２は、撥水処理を施したカーボンペーパを基材とし、その一方の面に、Ｐｔ−Ｒｕ黒と５ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）とを混合した触媒ペーストを塗布して作製する。アノード側電極３２は、図３では複合膜１０の下面に位置するので図示されていないが、触媒ペーストを塗布した面が複合膜１０の発電部１４、すなわち、プロトン伝導物質２２を充填した部分と接するように配置する。３４はカソード側電極であり、カソード側電極３４は、撥水処理を施したカーボンペーパにカーボンブラック（Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２：ＣＡＢＯＴ社製）を充填し、その一方の面に、Ｐｔ黒と５ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）とを混合した触媒ペーストを塗布して作製する。本実施の形態ではカソード側電極３４のみにカーボンブラックを充填したが、アノード側電極３２およびカソード側電極３４両方のカーボンペーパにカーボンブラックを充填する場合、カーボンペーパに充填するカーボンブラックの量は、カソード側の方がアノード側よりも多くすると、カソード側から生成される生成水を排出しやすくなり、カソード側へ空気を強制的に供給する空気供給手段をもたない燃料電池システムにおいても、生成水の排出と空気の供給とをスムーズに行うことができる。カソード側電極３４は、複合膜１０の上面に、触媒ペーストを塗布した面が複合膜１０の発電部１４、すなわち、プロトン伝導物質２２を充填した部分と接するように配置する。
【００１７】
アノード側電極３２、複合膜１０の発電部１４およびカソード側電極３４を合わせたセル３６の外側には、集電体３８、４０が設けられる。集電体３８、４０には、セル３６へ燃料および酸化剤を供給できるように、電子導電性、耐酸化性に優れた材料を用いた薄型で多孔質な部材が適している。本実施の形態において、集電体３８、４０は金メッシュを用いた。アノード側集電体３８は、アノード側電極３２を覆い、かつ、一方の端部（図４においては左端）をアノード側電極３２より大きく形成し、複合膜１０の接続部１６に接続できる寸法にする。一方、カソード側集電体４０は、カソード側電極３４を覆い、かつ、一方の端部（図４においては右端）をカソード側電極３４より大きく形成し、複合膜１０の接続部１６に接続できる寸法にする。
【００１８】
セル３６ａに設けられたカソード側集電体４０ａとセル３６ｂに設けられたアノード側集電体３８ｂとが接続部１６αを介して接続され、同様に、セル３６ｂに設けられたカソード側集電体４０ｂとセル３６ｃに設けられたアノード側集電体３８ｃとが接続部１６βを介して接続されるので、セル３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび３６ｄは、直列に接続される。
【００１９】
本実施の形態では、８枚のセル３６を２×４の配置とし、４枚のセルが直列に接続される場合について説明したが、図３におけるセル３６の枚数あるいは配置や、接続部１６の配置、集電体３８、４０の形状を変更することにより、一枚の複合膜１０を用いた平面形燃料電池３０から出力される電流値および電圧値を任意に設定できることは、当業者が容易に理解できるところである。また、触媒層を、カーボンペーパなどの電極基材上に触媒ペーストを塗布する方法で作製したが、電極基材を省いて集電体上に形成してもよく、さらには、複合膜上に形成して電極基材や集電体で挟持する作製工程を採ってもよい。触媒には、Ｐｔ−ＲｕやＰｔからなる粒子（Ｐｔ−Ｒｕ黒やＰｔ黒）を用いたが、触媒をカーボンブラックに担持させた触媒担持カーボンを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、起電力をそれほど必要とせず、できるだけ薄いことが要求される携帯機器用の平面形ＤＭＦＣに限らず、家庭用あるいは自動車用の燃料電池においても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る複合膜の絶縁部の作製工程を示す模式図である。
【図２】本発明に係る複合膜の接続部および発電部の作製工程を示す模式図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る燃料電池の断面構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  複合膜
１２  基材
１４  発電部
１６  接続部
１８  絶縁部
２０  絶縁物質
２２  プロトン伝導物質
２４  電子伝導物質
３０  平面形燃料電池
３２  アノード側電極
３４  カソード側電極
３６  セル
３８  アノード側集電体
４０  カソード側集電体
【図１】
2006244715.tif 000003
【図２】
2006244715.tif 000004
【図３】
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【図４】
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